Опыт применения программы PVElite при проектировании и расчете нефтехимического оборудования

Алексей Вихман, Светлана Зусмановская, Лидия Вертегел

Введение

Расчетная схема и исходные данные

Расчет колонны с конденсатором и получение внешних нагрузок от ветра и сейсмики

Расчет ребойлера с учетом внешних нагрузок от ветра и сейсмики

Расчет узла врезки штуцера №8 с учетом внешних нагрузок от ветра и сейсмики

Введение

В нашей стране введение новых технологических процессов на предприятиях нефтехимической, химической, нефтеперерабатывающей и нефтегазовой отрасл ей промышленности и реконструкция действующих предприятий сегодня часто осуществляется зарубежными партнерами. При этом оборудование, входящее в состав техно­логических установок, поставляется по нормам продавца, если они не ниже российских. В соответствии с контрактами часть аппаратуры изготавливается на отечественных предприятиях. Чтобы аппаратура, входящая в состав технологических установок, обладала соответствующими показателями надежности, прочности и взаимозаменя­емости, проектирование и изготовление осуществляется по российским нормам с последующей проверкой по нормам поставщика. Наличие сертифицированных программ, основанных на нормативно-технической документации поставщика, способствует успешному решению поставленной задачи.

ОАО «Петрохим Инжиниринг» в течение нескольких лет использует программные продукты зарубежных фирм. В частности, в прошлом году была приобретена программа PVElite (разработчик — компания COADE), которая предоставляет возможность проектировать вертикальные и горизонтальные аппараты, работающие под внутренним или наружным давлением, на основании правил ASME VIII Div. 1, Div.2 и BS 5500. Авторизованным дистрибьютором компании COADE в России, странах СНГ и государствах Балтии является ЗАО «ЕМТ Р». Именно у этой компании мы и приобрели PVElite с русскоязычной документацией.

Особо следует отметить грамотную техническую поддержку со стороны сотрудников компании ЕМТ, благодаря чему наши специалисты всегда находятся в курсе последних разработок программных продуктов для оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Расчетная схема и исходные данные

В этой статье в качестве примера использования программы PVElite мы рассмотрим проектирование блока испарителя комплекса подготовки нефти. Специфика блока испарителя заключается в том, что оси входящих в его состав аппаратов расположены под углом 90° друг к другу. Блок испарителя состоит из ребойлера (горизонтальный аппарат) и из колонны и конденсатора (вертикальные аппараты). Все аппараты связаны друг с другом фланцевыми соединениями. Схема установки представлена на рис. 1.

Строительная площадка блока находится на Сахалине. Задание на расчет было дано английской фирмой Parsons. Материальное исполнение всех элементов блока с учетом характера перерабатываемой среды — мало­углеродистая аустенитная сталь SA 316L по ASME VIII Div.1. Расчет ветровых и сейсмических нагрузок следовало выполнить по американским нормам, а именно: ветровая нагрузка — по ANSI/ASCE 7-95, сейсмическая — по IBC 2000, с исходными данными, превышающими российские нормы для заданного райо­на установки. Кроме того, фирмой были заданы довольно большие внешние нагрузки (силы и моменты) на технологические штуцеры, а также были выдвинуты особые требования к расчетам, учитывающим эти нагрузки: использование методов расчета напряжений по WRC Bulletins 107 и WRC Bulletins 297 «Локальные напряжения в сферических и цилиндрических обечайках, обусловленные внешними нагрузками», а в особо нагруженных узлах необходимо было использовать метод конечных элементов. Эти методы включены в программу PVElite в качестве модулей WRC 107/FEA и WRC 297. Специалисты нашей компании не случайно выбрали PVElite, поскольку эта программа давно известна на мировом рынке как лидер среди программ автоматизации расчетов на прочность сосудов и аппаратов.

В рамках данной статьи мы рассмотрим узел соединения ребойлера с колонной. Как видно из схемы на рис. 1, этот узел является самым сложным местом конструкции, так как на него, кроме весовых нагрузок от колонны и конденсатора, действуют ветровые и сейсмические нагрузки. Поэтому при проектировании надо было уделить особое внимание именно этому узлу.

Поскольку с помощью PVElite можно выполнить расчет на прочность либо вертикального, либо горизонтального аппарата, то для определения вышеуказанных нагрузок блок испарителя разделен на две части. Зона раздела проходит через штуцер №8 (см. рис. 1). Каждая из этих частей рассчитывалась отдельно — отдельно был выполнен расчет колонны вместе с конденсатором и отдельно выполнялся расчет ребойлера с учетом нагрузок, полученных в результате расчета колонны с конденсатором.

Используя процессор входных данных, последовательно были введены все элементы конструкции. Расчетные схемы представлены на рис. 2 и 3.

Расчет колонны с конденсатором и получение внешних нагрузок от ветра и сейсмики

Модель колонны с конденсатором с помощью программы необходимо очень точно представить, так как она должна полностью соответствовать чертежу аппаратов не только по геометрическим параметрам, но и по весовым характеристикам. Следует отметить, что размеры и веса непосредственно участвуют в определении ветровых и сейсмических нагрузок, которые в данном расчете особенно важны.

Интерфейс PVElite понятен, удобен и несложен в использовании. С помощью мыши из окна интерфейса программы мы выбрали детали для графического построения расчетной схемы (см. рис. 2), каждый раз сверяя выходную информацию по весам и размерам с чертежом аппаратов. Эта процедура сверки повторялась несколько раз до достижения полного соответствия этих параметров расчетной схемы чертежу. Поскольку результат расчета выводился на экран моментально, процедура сверки происходила очень быстро.

При построении расчетной схемы мы включали в нее следующие элементы главного меню интерфейса PVElite: обечайки, фланцы, тарелки с рабочей жидкостью, плоскую крышку, штуцеры, изоляцию.

Внутренние элементы конструкции, не представленные в главном меню, но имеющие весовые характеристики, вводились в схему с помощью опции «Weigh» (Вес).

Далее в соответствующем окне программы (рис. 4) были выбраны данные по ветру и сейсмике, при этом особое внимание было обращено на стандарты, которые определил заказчик, а именно: ветер — ASCE-95, сейсмика — IBC 2000. Отметка основания колонны (Base Elevation — 3000 мм ) соответствовала размещению верхнего штуцера №8 на ребойлере. Этот параметр, как и все остальные параметры окна, были включены в исходные данные.

В соответствии с чертежом в расчетной схеме в основании аппарата должен находиться аппаратный фланец, который воспринимает все нагрузки. Просмотрев результаты расчета, соответствующие этой схеме, мы смогли убедиться, что все входящие в схему элементы посчитаны на внутреннее и наружное давление, но при этом отсутствовали результаты расчетов на ветер и сейсмику (рис. 5 а). Отсюда следует вывод, что для получения ветровых и сейсмических нагрузок необходимо в основании аппарата иметь опору — см. рис. 2: в поле Element Type было выбрано значение «Skirt». Таким образом, нижний фланец был заменен на опору по типу 1, которой были заданы соответствующие геометрические характеристики фланца: диаметры и толщины самого фланца, диаметр болтов и их количество, общая высота.

Итак, мы получили результаты расчета системы колонна—конденсатор, в файлах которого присутствовали интересующие нас нагрузки: силы и моменты от действия ветра и сейсмики (рис. 5 б). Следует отметить, что результирующие файлы программы содержат не только формулы, необходимые для проведения расчета, но и цифровые значения входящих в них величин, что упрощает проведение проектировщиком анализа расчетов с помощью PVElite.

Расчет ребойлера с учетом внешних нагрузок от ветра и сейсмики

Ребойлер — это горизонтальный теплообменный аппарат, имеющий две рабочие зоны: трубное пространство диаметром 1050 мм и межтрубное пространство диаметром 2500 мм , каждое из которых имеет свое расчетное давление, расчетную температуру и материальное исполнение. В нашем случае аппарат обладает следующей конструктивной особенностью: его геометрические параметры имеют переходную зону между диаметрами, которая выполнена в форме осенесимметричного конического элемента. Аппарат располагается на двух опорах — подвижной и неподвижной, причем неподвижная опора в соответствии с чертежом находится на полуконической обечайке.

Учитывая все это, мы ввели расчетные данные для отображения схемы ребойлера. Программа не предусматривает возможность размещения опоры на осенесимметричном конусе, поэтому окончательная расчетная схема, представленная на рис. 3, не вполне корректна с точки зрения размещения опор, но это не помешало расчету на прочность остальных элементов ребойлера с нагрузками, полученными в результате расчета системы колонна—конденсатор.

Мы изменили расчетную схему, как показано на рис. 3. Мы выполнили расчет и проанализировали результаты. Но поскольку наша основная задача — выполнить расчет узла врезки штуцера №8 и расчет фланцев этого узла с учетом всех нагрузок, то следует перейти к очередному этапу расчета.

Расчет узла врезки штуцера №8 с учетом внешних нагрузок от ветра и сейсмики

Определить напряжения в элементах конструкции, нагруженных внешними нагрузками, можно с помощью таких методов расчета, как WRC 107 и WRC 297. Но в нашем случае геометрические параметры штуцера №8 выходят за пределы области применения как WRC 107, так и WRC 297. Поэтому для получения точных результатов расчета в зоне установки штуцера №8, имеющего большой диаметр патрубка (1250 мм) и нагруженного внешними достаточно большими силами и моментами, подходит метод конечных элементов — FEA. Но интерфейс FEA требует специальной встраиваемой программы NozzlePro, разработанной фирмой Paulin Research Group (США). Сроки выполнения проекта блока испарителя были чрезвычайно сжатыми, вследствие чего по вопросу приобретения программы NozzlePro мы обратились к своему постоянному партнеру — ЗАО «EMT Р». Буквально через несколько дней мы приобрели эту программу и после ее инсталляции ввели исходные данные и получили результаты расчета в экранной форме PVElite.

Кроме того, используя интерфейс самой программы NjzzlePro, мы смогли ввести исходные данные по штуцеру №8 и получить результаты расчета в более развернутом виде. Следует отметить, что ввод исходных данных программы NozzlePro очень прост и нагляден для пользователя (рис. 6). Результаты расчета (рис. 7,8,9,10,11,12,13) показали, что все элементы узла врезки штуцера №8 удовлетворяют условиям прочности в соответствии с требованиями ASME VIII Div.1.

* * *

Опыт ЗАО «Петрохим Инжиниринг» в работе с программой PVElite при проектировании блока испарителя показал, что с ее помощью можно выполнять не только расчеты на прочность вертикальных и горизонтальных аппаратов различной высоты, длины и диаметра от внутреннего или наружного давления с учетом ветра и сейсмики и в соответствии с выбранными для расчета нормами, но и расчеты аппаратов со сложной конфигурацией. При этом программа позволяет легко и просто вводить исходные данные и анализировать полученные результаты, что значительно ускоряет процесс проектирования.

«САПР и графика» 4'2004